現場總線在火電廠輸煤程控的應用比較研究

陳曦

（福建省東南電化股份有限公司，福建 福州 350309）

現場總線在火電廠輸煤程控的應用比較研究

陳曦

（福建省東南電化股份有限公司，福建 福州 350309）

本文對兩種在火電廠輸煤程控系統(tǒng)較為常用現場總線CIP-ControlNet與Profibus-DP做了詳細的比較分析，并結合電廠輸煤系統(tǒng)工藝特點，提出選擇采用現場總線技術CIP-ControlNet與具有IP67防護等級的分布式IO結合的方案實施輸煤程控，從而達到降低工程造價，增強系統(tǒng)可靠性的目的.

輸煤程控；現場總線技術；分布式IO

1 現場總線技術

現場總線（Fieldbus）技術作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系,該技術具有具有開放性、互用性與互可操作性、智能化及功能自治性、環(huán)境適應性與高度分散性等技術特點，鑒于上述優(yōu)點，現場總線技術正逐步被廣大工程技術人員認識并應用到工程實際中.

最新的現場總線國際標準IEC61158第4版定義了20種總線類型，見下表[1-2]：

表中兩種總線技術類型2通用工業(yè)協(xié)議CIP與類型3 Profibus在火電廠應用較為常見，各具特點.

1.1 通用工業(yè)協(xié)議CIP

通用工業(yè)協(xié)議（Common Industrial Protocol，簡稱CIP）是一種應用在工業(yè)自動化的通協(xié)議，由開放DeviceNet廠商協(xié)會（Open DeviceNet Vendors Association，簡稱ODVA）維護.通用工業(yè)協(xié)議包括了許多通訊及服務，應用范圍都和制造自動化有關，包括控制、安全性、同步、運動控制、組態(tài)和信息.通用工業(yè)協(xié)議在EtherNet/IP、DeviceNet、CompoNet及ControlNet等通訊協(xié)議定中都有支持.它允許用戶將生產應用程序與企業(yè)級的以太網集成，是真正的與傳輸介質無關，能夠對用戶提供貫穿整個生產企業(yè)的統(tǒng)一通信結構.

CIP作為一個由各種網絡技術所共享的單一的、介質獨立的平臺，包括下列4種網絡：

（1）EtherNet/IP 基于以太網的CIP網

（2）ControlNet基于CDMA技術的CIP網

（3）DeviceNet基于控制器區(qū)域網技術的CIP網

（4）CompoNet基于TDMA技術的CIP網

1.2 Profibus

Profibus是過程現場總線（Process Field Bus）的縮寫，它是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準.PROFIBUS傳送速度可在9.6kbaud～12Mbaud范圍內選擇且當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度，廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化，PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術.可實現現場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案,它有下列3個部分組成：

（1）PROFIBUS－DP 應用于設備現場級，是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通訊；

（2）PROFIBUS－PA適用于過程自動化，可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上，可應用于本征安全領域；

（3）PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網絡.

1.3 兩種現場總線技術的比較

在電力行業(yè)程控系統(tǒng)中廣泛采用美國AB公司的ControlLogix與德國西門子公司的S7系列PLC，它們分別支持上述兩種現場總線類型，在I/O總線上分別采用的Control-Net與Profibus-DP兩種總線技術，各種IO模塊可以通過總線技術布置在控制設備附近，從而起到節(jié)省電纜的作用.

1.3.1 ControlNet總線特點

ControlNet是一種高速的工業(yè)控制網絡，是開放、實時、具有確定性的可重復性的現場總線.可以在單一的物理介質鏈路上提供對時間要求嚴格的I/O以及互鎖數據、通訊數據，具有高度的確定性與重復性，確保在網絡連接或斷開設備時能夠保持不受影響.

ControlNet采用先進的開放式網絡技術生產者/消費者通訊模式，這種通訊模式允許網絡中所有節(jié)點同時獲取來自同一數據源的數據，從而提高了整個網絡的吞吐量，降低了對網絡帶寬的要求.

ControlNet主要技術參數如下表[5]：

1.3.2 Profibus-DP總線特點

PROFIBUS-DP的DP即Decentralized Periphery，它具有高速低成本，用于設備級控制系統(tǒng)與分布式I/O的通信.采用經典的主從通訊模式，即源/目標模式，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息.同時支持多主站通訊模式，各主站間采用令牌傳遞方式訪問從站.總線上最多站點（主－從設備）數為126，最多可用32個主站.

PROFIBUS總線以開放式系統(tǒng)互連網絡OSI為參考模型，對Profibus-DP定義了物理層、數據鏈路層和應用層.物理層采用EIA-485電氣規(guī)范為傳輸方式，使用阻抗為150Ω的雙絞線，隨傳輸距離的不同其總線速率可從9.6 kbit/s到12Mb/s，在不采用中繼器是最大可達1000米，總線拓撲結構為菊花鏈形，一進一出.若采用光纜作為介質，其拓撲結構可為星型，總線型或環(huán)形.

Profibus-DP總線的主要技術參數如下表：

1.3.3 兩種總線技術比較研究

Profibus-DP總線的速率是由傳輸距離決定的，標稱的12Mb/s僅在100米內，距離越長衰減越厲害，而ControlNet總線只要滿足節(jié)點數要求，則可確保5M/bs恒定的速率不變.因此若要長距離傳輸大量數據ControlNet總線更有優(yōu)勢.究其緣由，在于兩種總線采用了兩種截然不同通訊模式，生產者/消費者模式與傳統(tǒng)源/目標模式.

ControlNet總線采用生產者/消費者模式，它可以在同一時間實現網絡中一臺設備與多臺設備之間的數據傳輸，即一臺設備播出自己的數據后，其他設備可同時接收到并靠標示符進行取舍.ControlNet總線使用CTDMA協(xié)調時間區(qū)域的多重訪問，整個網絡按照對時間苛求程度而確定的數據傳送類型來分配網絡的帶寬，為每個站點預留帶寬傳送實施數據，預定性帶寬是確定的和重復的；剩余帶寬用于時間隨意的數據，不會導致與預定性帶寬的沖突.這種模式可以保障實時數據的及時傳輸又可利用剩余帶寬傳輸非實時性數據，提高整個網絡的利用效率.而傳統(tǒng)源/目標模式，每發(fā)送一個信息就需要一個確定的源/目標地址數據包，這種模式的最大弊端在于不確定性，同樣的信息如果要傳輸到網絡上的多個節(jié)點，必須重復傳輸多次，極大地浪費了網絡帶寬，降低了網絡通訊效率.因此在遠距離大數據量傳輸的應用上ControlNet比Profibus-DP更具優(yōu)勢.

2 火電廠輸煤系統(tǒng)工藝特點

輸煤系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的重要組成部分，它包括從卸煤開始到將合格的煤粉送到原煤倉的整個工藝過程，由卸煤、貯煤、上煤和配煤組成[3-4].

輸煤系統(tǒng)的主要工藝特點有：

（1）可靠性高，要求整個輸煤系統(tǒng)處于完好的工作狀態(tài)，保障鍋爐用煤；

（2）工作環(huán)境惡劣，粉塵、潮濕、振動、噪音、電磁干擾等都比較嚴重，且被控設備大多數都是強電設備，干擾嚴重；

（3）整個輸煤線路長，控制設備多、布置分散，工藝流程復雜、安全聯(lián)鎖要求高.

綜上，輸煤程控系統(tǒng)已廣泛采用以PLC為核心的自動化控制系統(tǒng)進行控制.

3 現場總線在國內電廠輸煤程控應用狀況

近年來現場總線技術已在工程項目中得到了應用，比如國電泉州電廠與廣東陽西電廠的輸煤程控系統(tǒng)都采用了現場總線的控制方式，采用的都是MODICON QUANTUM系統(tǒng)的PLC與德國圖爾克分布I/O的控制方案.這種應用方案采用Profibus-DP現場總線，充分利用總線的優(yōu)勢，把各個控制站的I/O點分散盡量靠近就地布置，減少了電纜的使用量，同時采用了具有IP67防護等級的圖爾克BL67分布式I/O模塊，確保模塊能適應輸煤系統(tǒng)惡劣的現場環(huán)境，該方案投運后雖然發(fā)揮了現場總線的技術優(yōu)勢，但作為一項新技術，實際應用中存在一些問題[5-6]：

（1）現場總線的施工工藝不用與普通的電纜，接線、安裝、調試等方面的技術難度要大得多，因此在實際應用中都出現了由于總線安裝布置導致通訊故障的問題；

（2）由于MODICON QUANTUM的PLC采用Modbus Plus協(xié)議，而圖爾克BL67采用的是Profibus-DP協(xié)議，因此必須使用協(xié)議轉換的網關鏈接PLC與I/O模塊，一旦網關故障就會導致整個程控系統(tǒng)的癱瘓；

（3）有用戶反映采用Profibus-DP總線后整個網絡的數據通訊速率偏慢，后期維護中不敢再往系統(tǒng)中添加新的I/O點與控制邏輯.

針對上述3個問題，筆者提出如下解決方案：

（1）加強現場施工的工程監(jiān)管，嚴把質量關，技術人員應積極為施工人員提供技術支持與安裝指導；

（2）避免使用網關，在PLC與I/O選型上，保障它們采用的相同的通訊協(xié)議；

（3）充分掌握各個總線的特點，選用最合適的總線技術.

4 采用現場總線CIP-ControlNet與分布式I/O的輸煤程控方案

綜上分析，結合福建省東南電化股份有限公司熱電廠輸煤程控工藝要求，并考慮到整個廠區(qū)高鹽霧的環(huán)境狀況，福建省東南電化股份有限公司熱電廠采用了ControlNet總線加美國AB公司具有IP67防護等級的ArmorPoint I/O的輸煤程控方案，該方案與QUANTUM加圖爾克BL67系列I/O方案相比具有以下優(yōu)勢，完全能夠避免這種方案的局限性.

（1）采用美國AB公司ControlLogix系列PLC為控制器，它采用ControlNet通訊協(xié)議，ArmorPoint I/O也選用Control-Net通訊適配卡，實現與現場I/O模塊的無縫連接，不采用網關，系統(tǒng)可靠性增強；

（2）采用冗余總線技術，即采用兩條完全一樣的ControlNet網絡，增強網絡的容錯能力；

（3）ControlNet總線與Profibus-DP相比在遠距離大數據量傳輸的應用上更具優(yōu)勢，因此更適應于輸煤程控應用；

（4）ArmorPoint I/O的特點完全能滿足輸煤系統(tǒng)的需要. AB公司的ArmorPoint I/O是一種廣泛應用的分布式I/O模塊，可支持Profibus-DP、ControlNet、Device、EtherNet/IP等多種現場總線，可以直接安裝于設備現場也可機柜安裝，同時具有如下特點：

?擁有IP67的防護等級，可完全防御輸煤環(huán)境下各種粉塵的吸入，同時可抵御短暫的液體侵泡；

?卡件內部電路板具有防腐涂層保護，適應于廠區(qū)高鹽霧環(huán)境工況；

?低I/O密度模塊，具有通道級的短路及開線檢測，便于故障及時發(fā)現及維修；

?可擴展，底板與模塊分離，支持熱插拔，便于安裝；

?支持大多數工業(yè)現場信號，包括數字量、模擬量、熱電阻、熱電偶、脈沖信號等；

?提供對ControlNet總線的鏈接的冗余支持，防止單一網線中斷后對整個通訊的影響.

采用這種方案既可以滿足大數據量對總線網絡傳輸實時性的要求，同時也可分散布置I/O站點，使設備就地接入控制系統(tǒng)，減少電纜使用，由于采用了冗余的網絡結構，增強了系統(tǒng)的可靠性.輸煤工藝系統(tǒng)根據布局設置控制主站和就地I/O站，其中地下煤斗間、細碎機室、煤倉間作為3個就地遠程I/O站，I/O站靠近控制設備，減少電纜敷設用量，降低工程造價.在主控制室內布置操作員站與工程師站，采用以太網與PLC控制器進行通訊，每臺上位操作站上配置雙網卡，實現通訊鏈路的冗余，提高通訊可靠性.

5 結論

總之，現場總線是一種成熟可靠的技術，在火電廠輸煤程控系統(tǒng)上使用現場總線可以利用總線的優(yōu)勢，使得分散布置的控制設備能就近接入控制系統(tǒng)，減少電纜鋪設，也便于安裝與調試.ControlNet總線采用先進的生產者/消費者通訊模式，通訊速率不會隨傳輸距離的變化而降低，在遠距離實時數據傳輸上具有優(yōu)勢.而具有IP67防護等級的分布式ArmorPointI/O也比常規(guī)I/O模塊相比更適用在電廠輸煤這種惡劣的環(huán)境下工作.

〔1〕夏德海，等.現場總線的現狀及其發(fā)展趨勢[J].電氣時代, 2008（8）:16-19.

〔2〕成繼勛，等.廣義現場總線標準與工業(yè)以太網[J].電氣自動化,2002(4):8-11.

〔3〕孟慶平.輸煤程控系統(tǒng)現場總線解決方案[J].中國煤炭工業(yè),2007(11):42-43.

〔4〕宋愛華.PLC在輸煤程控系統(tǒng)的應用[J].煤炭技術,26(07):.9-30.

〔5〕黃世圣.火力發(fā)電廠輸煤程控系統(tǒng)[A].全國第三屆工業(yè)爐窯自動控制學術會議暨第五屆煉鋼、連鑄和軋鋼自動化學術會議.

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TP 273

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1673-260X（2013）02-0020-03